00_ROZPRAWA_DOKTORSKA_streszczenie

ROZPRAWA DOKTORSKA
Joanna Gębala
Metoda oceny wpływu antropopresji rolniczej
na jakość wód powierzchniowych
na przykładzie zlewni Regi
Promotor:
dr hab. inż. Mieczysław S. Ostojski, prof. IMGW-PIB
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej
Państwowy Instytut Badawczy
Warszawa 2015
STRESZCZENIE
Podstawowym problemem z punktu widzenia przeciwdziałania zjawisku eutrofizacji Morza
Bałtyckiego jest właściwa ocena wielkości i źródeł ładunków związków biogennych
odprowadzanych do Bałtyku. Polska będąca członkiem Unii Europejskiej oraz
sygnatariuszem Konwencji Helsińskiej zobowiązała się do ograniczenia zrzutu ładunków
azotu ogólnego oraz fosforu ogólnego do wód powierzchniowych a w konsekwencji do
Bałtyku.
Celem pracy było opracowanie uniwersalnej metody, z wykorzystaniem modelu
matematycznego, do określania rekomendowanych działań zmierzających do ograniczenia
antropopresji rolniczej poprzez kontrolę i minimalizację odprowadzania do wód
powierzchniowych zanieczyszczeń przyczyniających się do powstawania zjawiska
eutrofizacji, przy jednoczesnej maksymalizacji produkcji rolnej. W pracy opracowano
matematyczny opis jednostkowych procesów przemian i transportu ładunków zanieczyszczeń
przedostających się do wód wraz ze spływami powierzchniowymi, od momentu ich
wprowadzenia do zlewni do dopływu do przyjętego profilu obliczeniowego rzeki.
Metodę oparto na opracowaniu scenariusza bazowego, odzwierciedlającego rzeczywisty stan
rolniczego użytkowania terenu (uzyskany z przeprowadzonej ankietyzacji) w pilotowej
zlewni rzeka Rega, a następnie zestawieniu go z wybranymi scenariuszami wariantowych
zmian prowadzonej działalności rolniczej i w konsekwencji wyborze scenariusza
rekomendowanego.
Do analizy wpływu danego scenariusza na wielkości ładunków azotu ogólnego, fosforu
ogólnego i zawiesiny ogólnej odprowadzanych do ujścia rzeki wybrano Makromodel DNS
(Discharge Nutrient Sea) z modułem SWAT (Soil and Water Assessment Tool) czyli
Makromodel DNS/SWAT. Wybór ten poprzedzono przeglądem literatury polskiej i światowej
opisującej stosowane modele matematyczne wykorzystywane do symulacji procesów
zachodzących w wodach powierzchniowych ze szczególnym uwzględnieniem procesów
transportu i przemian zanieczyszczeń w zlewniach użytkowanych rolniczo.
Makromodel DNS/SWAT rozbudowano o moduł rolniczego użytkowania terenu, dający
możliwość analizy wielkości ładunków związków biogennych wypłukiwanych z powierzchni
gleby przez spływy powierzchniowe i dopływających do wód powierzchniowych, zwany
dalej Makromodelem DNS/SWAT-C. Kalibrację, weryfikację i walidację Makromodelu
DNS/SWAT-C przeprowadzono dla czterech wskaźników: średniodobowego natężenia
przepływu Q, średniodobowych ładunków azotu ogólnego, fosforu ogólnego i zawiesiny
ogólnej. Stopień dopasowania wyników modelowania do obserwacji sprawdzono
wykorzystując miary statystyczne: współczynnik determinacji (R2), współczynnik obciążenia
predykcji (PBIAS) oraz współczynnik efektywności Nasha-Satcliffe’a (NSE). Kalibrację i
weryfikację dla wszystkich czterech wskaźników przeprowadzono dla rzeki Regi na profilu
obliczeniowym Trzebiatów natomiast walidację przeprowadzono dla profilu Resko. W
sytuacji wystąpienia silnie odstających wyników modelowania od obserwacji zastosowano
statystykę odporną zmniejszającą wagę danych silnie odstających i tym samym dającą
poprawę dopasowania wyników modelowania do obserwacji.
Skalibrowany, zweryfikowany i zwalidowany Makromodel DNS/SWAT-C dla zlewni rzeki
Rega pozwolił:
a) zidentyfikować główne źródła zanieczyszczeń wód powierzchniowych związkami
biogennymi,
b) określić wpływ antropopresji rolniczej na jakość wód powierzchniowych w zlewni,
c) uzyskać dokładne informacje o skuteczności stosowanych wybranych działań w
zlewni i ich wpływie na jakość wód powierzchniowych,
d) zweryfikować stosowane praktyki bądź zalecane m.in. w Kodeksie Dobrej Praktyki
Rolnej pod względem ich skuteczności w redukcji wielkości ładunków związków
biogennych w wodach powierzchniowych,
e) oszacować naturalne tło ładunków związków biogennych w wodach
powierzchniowych,
Tym samym potwierdzono skuteczność wykorzystania rozbudowanego Makromodelu
DNS/SWAT-C o użytkowanie terenu jako narzędzia do:
a) analizy wielkości ładunków zanieczyszczeń w profilach ujściowych jednolitych
części wód powierzchniowych spowodowanych działalnością rolniczą,
b) wyboru rekomendowanych działań z wielu wariantowych, które ograniczą
niepożądane zmiany w środowisku,
c) określenia niezalecanych działań w największym stopniu wpływających na wzrost
ładunkowo związków biogennych na ujściu rzeki,
d) określenia wpływu zmian klimatu (w zakresie zmian wielkości rocznych sum
opadów) na wielkość ładunków zanieczyszczeń w wodach powierzchniowych.
Potwierdzono że opracowanie scenariuszy wariantowych, z analizą ich wpływu na jakość
wód z wykorzystaniem analizy wielokryterialnej która rozbudowuje ranking środowiskowy
jednokryterialnej analizy scenariuszy, może stanowić istotne narzędzie wspomagania procesu
podejmowania decyzji w zarządzaniu zlewnią w zakresie działań zmierzających do poprawy
jakości wód powierzchniowych.
Powyższa metoda zweryfikowana dla zlewni rzeki Regi może być rekomendowana jako
metoda analizy wpływu antropopresji rolniczej w innych zlewniach.
ABSTRACT
The basic problem from the point of view of prevention of eutrophication of the Baltic Sea
waters is a reasonable assessment of the size and sources of nutrients loads discharged into the
Baltic Sea. Poland, as a member of the European Union and a signatory of the Helsinki
Convention is committed to reduce discharge of total nitrogen and total phosphorus
discharges into surface waters and consequently to the Baltic Sea.
The aim of this work was to develop a universal method with the use of a mathematical model
to determine the recommended measures to minimize an agriculture impact by controlling and
minimizing the discharge of pollutants to surface waters that contribute to the formation of
eutrophication phenomena, while maximizing of agricultural production.
In the work, a mathematical description of the processes of transformations and transport of
pollutants discharged to waters with surface runoff from their introduction to the catchment to
the river outflow profile has been developed.
The method is based on the development of the baseline scenario, reflecting the actual state of
the agricultural land use (obtained from a survey by questionnaire) in a pilot catchment of
Rega river, and then comparing it with the selected variant scenarios regarding changes in
agricultural activity and consequently, the selection of the recommended scenario. To analyze
the impact of the given scenario on the size of total nitrogen, total phosphorus and total
suspended solids loads discharged into the mouth of the river, the Macromodel DNS (Sea
Nutrient Discharge) with the module SWAT (Soil and Water Assessment Tool) called
Macromodel DNS/SWAT was selected. This choice was preceded by a review of Polish and
world literature describing mentioned abovemathematical models to simulate the processes
occurring in surface waters with particular emphasis on the processes of transport and
transformation of pollutants in the agricultural catchments. Macromodel DNS/SWAT was
expanded with the agricultural land use module, giving the ability to analyze the size of the
nutrients loads washed from the soil surface by surface runoff and flowing to surface water,
hereinafter referred to as Macromodel DNS/SWAT-C (Catchment). The process of
calibration, verification and validation of the Macromodel DNS/SWAT-C was performed for
indicators such as: average daily flow rate Q, average daily total nitrogen loads Nog, total
phosphorus Pog and total suspended solids. The degree of matching observations to modeling
results were checked by using statistical measures: the coefficient of determination (R2),
percent bias (PBIAS) and the Nash-Satcliffe coefficient (NSE). The calibration and
verification process were carried out for the Rega river in Trzebiatów output profile, while the
validation process was carried out in Resko profile. In case of a strong outlier modeling
results of observations robust statistics was applied. Robust statistics reduces the significance
of the outliers, thus giving the improvement of matching the modeling results to observations.
Calibrated, verified and validated Macromodel DNS/SWAT-C for Rega river catchment
allowed to:
a) identify the main sources of pollution of surface waters with nutrient compounds,
b) determine the effect of agricultural impact on the surface water quality in the
catchment,
c) obtain accurate information about the effectiveness of selected agricultural activities
in the catchment area and their impact on the surface water quality,
d) verify current agricultural practices as well as recommended in Code of Good
Agricultural Practice in terms of their effectiveness in reducing the size of nutrients
loads in surface waters,
e) estimated natural nutrients loads background in surface waters.
Thus, the effectiveness of application Macromodel DNS/SWAT-C extended with the land use
module was confirmed to use as a tool to:
a) analyze the size of pollutant loads in the outflow profiles of surface water bodies
caused by agricultural activities,
b) select the recommended actions from many variants, which will reduce the unwanted
changes in the environment,
c) determine non-recommended actions affecting the increase of nutrients in rivers
output profile,
d) determine the impact of climate change (change of annual precipitation) on the size
of the pollutant loads in surface waters.
It was confirmed that the development of variant scenarios with the use of a multi-criteria
analysis expands a single objective environmental ranking scenario, hence can be an
important tool to support decision-making in the management of catchment in terms of taking
measures to improve the quality of surface waters.